DE1205499B

DE1205499B - Device for carrying out endothermic gas reactions

Info

Publication number: DE1205499B
Application number: DEZ10137A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Heinz Kuehne
Original assignee: HJ Zimmer Verfahrenstechnik
Current assignee: HJ Zimmer Verfahrenstechnik
Priority date: 1963-05-24
Filing date: 1963-05-24
Publication date: 1965-11-25
Also published as: NL6405747A; FR1395256A; GB1065235A; US3345139A; US3485888A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLANDFEDERAL REPUBLIC OF GERMANY

DEUTSCHESGERMAN

PATENTAMTPATENT OFFICE

AUSLEGESCHRIFTEDITORIAL

Int. CL:Int. CL:

BOIjBOIj

Deutsche Kl.: 12 g-1/02German class: 12 g-1/02

Nummer: 1205 499Number: 1205 499

Aktenzeichen: Z10137IV a/12 gFile number: Z10137IV a / 12 g

Anmeldetag: 24. Mai 1963 Filing date: May 24, 1963

Auslegetag: 25. November 1965Opening day: November 25, 1965

Bei der Durchführung endothermer Gasreaktionen besteht die vielfache Aufgabe, die Reaktionspartner mit einer Geschwindigkeit, die höher ist als ihre Zerfallsgeschwindigkeit, auf die erforderliche hohe Reaktionstemperatur zu bringen, dabei die zum Ablauf der Reaktion benötigte Wärme zuzuführen, das Reaktionsgemisch eine kurze, zum Ablauf der gewünschten Reaktion erforderliche Zeit im Bereich der hohen Temperaturen zu halten und dann möglichst schnell auf eine Temperatur abzukühlen, bei der das gebildete Reaktionsprodukt beständig ist.When carrying out endothermic gas reactions there is a multiple task of the reactants at a rate higher than its rate of disintegration, to bring to the required high reaction temperature, while supplying the heat required for the reaction to proceed, the Reaction mixture in the range a short time required for the desired reaction to proceed to keep the high temperatures and then to cool down as quickly as possible to a temperature at which the reaction product formed is stable.

Gasreaktionen, für deren Ablauf solche Bedingungen realisiert werden müssen, sind beispielsweise die Umsetzung von Kohlenwasserstoffen mit 1 bis 4 C-Atomen zu Acetylen, die Umsetzung von Methan und Ammoniak zu Blausäure oder die Umsetzung von Kohlenwasserstoffen mit 2 bis 6 C-Atomen zu Äthylen und Propylen. Aus thermodynamischen und kinetischen Gründen lassen sich bei derartigen Reaktionen technisch befriedigende Ausbeuten nur bei Temperaturen oberhalb von 1300 bis 1500° C erzielen, wobei, je nach der Höhe der Reaktionstemperatur, Verweilzeiten im Bereich von 10~² bis 10~⁵ see eingehalten werden müssen.Gas reactions for which such conditions must be implemented are, for example, the conversion of hydrocarbons with 1 to 4 carbon atoms to acetylene, the conversion of methane and ammonia to hydrocyanic acid or the conversion of hydrocarbons with 2 to 6 carbon atoms to ethylene and Propylene. For thermodynamic and kinetic reasons technically satisfactory yields can be in such reactions only at temperatures above 1300 to 1500 ° C to achieve, wherein, must be maintained depending on the amount of reaction temperature, residence times in the range of 10 ^-2 to 10 ^-5 lake.

Die Erzeugung derartig hoher Reaktionstemperaturen bei gleichzeitig sehr kurzen Verweilzeiten stößt auf erhebliche Schwierigkeiten, und tatsächlich haben alle bisherigen Vorschläge, die zur Lösung dieser Aufgabe ausgearbeitet wurden, noch verschiedene Nachteile und Schwächen im Gefolge.The generation of such high reaction temperatures with, at the same time, very short residence times, is an issue to significant difficulties, and indeed all previous suggestions have been made to solve this Task were worked out, still various disadvantages and weaknesses in the wake.

Beispielsweise lassen sich hohe Reaktionstemperaturen und kurze Verweilzeiten mit Hilfe eines elektrischen Lichtbogens erzeugen, durch den die Reaktionspartner mit hoher Strömungsgeschwindigkeit geleitet werden. Ein zweiter Weg besteht in der Durchführung der Reaktion in einer Flamme, bei der ein Teil der Reaktionspartner zur Deckung des Wärmebedarfs verbrannt wird. Bei beiden Arten der Verfahrensführung werden Temperaturen oberhalb 2000° C im Reaktionsgemisch erzielt. Eine grandsätzlich den beiden vorgenannten Arten ähnliche Verfahrensführung besteht darin, die Reaktionspartner in einen Strom hocherhitzter Trägergase einzuspritzen. Der grundlegende Mangel der vorstehend umrissenen Vorschläge ist darin zu sehen, daß die Zuführung der Reaktionswärme und der Temperaturverlauf im Reaktionsgemisch nicht genau genug kontrolliert werden können, um eine rationelle Ausnutzung der zugeführten Energie und eine weitgehende Unterbindung von Nebenreaktionen zu gewährleisten. Bei den mit partieller Verbrennung oder mit hocherhitzten Trägergasen arbeitenden Verfahren kommt Vorrichtung zur Durchführung endothermer GasreaktionenFor example, high reaction temperatures and short residence times can be achieved with the help of an electrical Generate an electric arc through which the reactants are passed at high flow rates will. A second way is to carry out the reaction in a flame with a Part of the reactants is burned to cover the heat demand. With both types of procedure temperatures above 2000 ° C are achieved in the reaction mixture. A fundamental one the procedure similar to the two aforementioned types consists in the reactants injected into a stream of highly heated carrier gases. The basic shortcoming of the foregoing Outlined proposals can be seen in the fact that the supply of the heat of reaction and the temperature profile in the reaction mixture cannot be controlled precisely enough to ensure efficient utilization of the supplied energy and an extensive suppression of side reactions. In the case of processes that work with partial combustion or with highly heated carrier gases Device for carrying out endothermic gas reactions

Anmelder:Applicant:

Hans J. Zimmer Verfahrenstechnik, Frankfurt/M. 14, Borsigallee 1-7Hans J. Zimmer Process Engineering, Frankfurt / M. 14, Borsigallee 1-7

Als Erfinder benannt:Named as inventor:

Dipl.-Ing. Heinz Kühne, Kronberg (Taunus) --Dipl.-Ing. Heinz Kühne, Kronberg (Taunus) -

noch hinzu, daß das gewünschte Endprodukt nur durch kostspielige, nachgeschaltete Trennverfahren in reiner Form gewonnen werden kann.In addition, the desired end product can only be obtained through costly, downstream separation processes can be obtained in pure form.

ao Es ist auch bekannt, ein keramisches Gitterwerk durch Verbrennung von Heizgas mit Luft oder Sauerstoff aufzuheizen und anschließend die Reaktionspartner durch den erhitzten Raum hindurchzuleiten, wobei das Gitterwerk die zur Durchführung der Reaktion erforderliche Wärme liefert. Abgesehen davon, daß bei einem derartigen, regenerativ arbeitenden Verfahren wiederum die Zuführung der Reaktionswärme und der Temperaturverlauf im Reaktionsgemisch nicht genau genug kontrollierbar sind, zeigt sich häufig auch, daß wegen der Temperaturempfindlichkeit der Umschaltorgane nicht die für eine optimale Reaktionsführung notwendigen Temperaturen erreicht werden.ao It is also known to create a ceramic latticework by burning fuel gas with air or oxygen heat up and then pass the reactants through the heated room, the latticework supplying the heat required to carry out the reaction. Apart from this, that in such a regenerative process again the supply of the heat of reaction and the temperature profile in the reaction mixture cannot be controlled precisely enough, shows It often also turns out that, because of the temperature sensitivity of the switching elements, they are not the optimal ones Reaction necessary temperatures can be achieved.

Die erwähnten Mangel der vorangehend beschriebenen Verfahren lassen sich vermeiden durch bekannte Reaktionsöfen, bei denen keramische Rohre in einem gasbeheizten Raum angeordnet sind. In den Rohren strömt das Reaktionsgas, so daß eine Verdünnung oder Verunreinigung des Produktgases durch die Heizgase oder Verbrennungsgase vermieden wird, während zugleich eine ausreichende Kontrolle der Reaktionswärme möglich ist. Bei den technisch bekannten Konstruktionen dieser Art lassen sich bereits Temperaturen bis zu 1500° C erreichen.The mentioned shortcomings of the methods described above can be avoided by known methods Reaction furnaces in which ceramic tubes are arranged in a gas-heated room. In the The reaction gas flows through pipes, so that a dilution or contamination of the product gas through the heating gases or combustion gases is avoided while at the same time providing adequate control of the Heat of reaction is possible. The technically known constructions of this type can already be Reach temperatures up to 1500 ° C.

Zur Erzielung kurzer Verweilzeiten (im Bereich der eingangs erwähnten Größenordnung) sind bei derartigen öfen allerdings äußerst kleine Rohrdurchmesser erforderlich. Dadurch wiederum werden die wärmeübertragenden Flächen sehr klein, so daß bei der Übertragung großer Wärmemengen wie sie zur Deckung der Reaktionswärme stark endothermer Reaktionen notwendig sind, hohe WandtemperaturenTo achieve short residence times (in the range of the order of magnitude mentioned at the beginning) are such furnaces, however, require extremely small pipe diameters. This in turn makes the heat transferring areas very small, so that when transferring large amounts of heat as they are used for To cover the heat of reaction, strongly endothermic reactions are necessary, high wall temperatures

509 739/?'509 739 /? '

erforderlich sind, die aus Gründen der zur Verfügung stehenden Werkstoffe und Heizgase häufig technisch nicht erreichbar sind. Um Abhilfe zu schaffen, wurde auch bereits beschrieben, zwei Rohre aus hochtemperaturbeständigem Material konzentrisch ineinanderzustecken und dadurch einen ringförmigen Reaktionsraum zu schaffen, durch den das Reaktionsgas strömt.are required, which are often technical for reasons of the materials and heating gases available are not reachable. To remedy this, it has already been described, two tubes made of high temperature resistant Stuck material concentrically one inside the other and thereby create an annular reaction space to create through which the reaction gas flows.

Bei den Reaktionsöfen des vorgenannten Typs können innerhalb einer Ofeneinheit aber nur einige wenige Rohre untergebracht werden, weil auf alle Fälle sichergestellt sein muß, daß sämtlichen Rohren zur Erzielung einer gleichmäßigen Wandtemperatur sowohl durch Strahlung der Ofenwände und der Heizgase als auch durch konvektiven Wärmeaustausch mit den Heizgasen von allen Seiten her die gleiche Wärmemenge zugeführt wird. Findet eine unterschiedliche Wärmeübertragung statt, erleiden die Rohre infolge unterschiedlicher Wandtemperaturen eine Verformung, die bei dem verwendeten, mechanisch äußerst empfindlichen, hochtemperaturbeständigen Material sehr leicht zum Bruch führen kann, die aber zumindest — bei zwei ineinandergestreckten Rohren — zu der Gefahr einer Versetzung dieser beiden Rohre aus ihrer konzentrischen Lage und damit zu einer sehr nachteiligen Querschnittsveränderung des normalerweise sehr schmalen, ringförmigen Reaktionsraumes führt. Durch die wenigen in einer Ofeneinheit untergebrachten und überdies noch mit geringem Öffnungsquerschnitt ausgestatteten Reaktionsräume sinkt andererseits natürlich die Leistungsfähigkeit eines Ofens erheblich ab.In the case of the reaction furnaces of the aforementioned type, however, only a few can be used within one furnace unit Few pipes are accommodated, because it must be ensured in any case that all pipes to achieve a uniform wall temperature both by radiation of the furnace walls and the Heating gases as well as convective heat exchange with the heating gases are the same from all sides Amount of heat is supplied. If there is a different heat transfer, they suffer Pipes due to different wall temperatures a deformation, which in the case of the used, mechanical extremely sensitive, high-temperature-resistant material can very easily lead to breakage but at least - in the case of two pipes stretched into one another - there is a risk of these being dislocated both tubes from their concentric position and thus to a very disadvantageous change in cross-section the normally very narrow, annular reaction space leads. By the few in one Oven unit housed and also equipped with a small opening cross-section reaction spaces On the other hand, the efficiency of a furnace naturally drops considerably.

Mit der Erfindung soll dieser Nachteil des vorangehend beschriebenen Reaktionsofens, der mit heizbaren, durch jeweils zwei konzentrische Zylinderwände begrenzten ringförmigen Reaktionsräumen aus hochtemperaturbeständigem Material ausgerüstet ist, überwunden werden, und zwar erfindungsgemäß dadurch, daß die äußere Zylinderwand des ringförmigen Reaktionsraumes konzentrisch von einem ringförmigen Heizraum umgeben ist, während die innere Zylinderwand des ringförmigen Reaktionsraumes von einem zylindrischen Einsatzkörper gebildet wird.The invention is intended to address this disadvantage of the reaction furnace described above, which is equipped with heatable, is equipped with two concentric cylinder walls bounded annular reaction chambers made of high-temperature-resistant material, overcome be, according to the invention in that the outer cylinder wall of the annular reaction space is surrounded concentrically by an annular heating chamber, while the inner cylinder wall of the annular reaction space is formed by a cylindrical insert body.

Mittels der Vorrichtung der Erfindung gelingt es, der äußeren Zylinderwand eines jeden Reaktionsraumes mit Hilfe des Heizgases eine definierte, in Umfangsrichtung vollständig gleichmäßige und in Längsrichtung sich gleichmäßig ändernde Wandtemperatur zu erteilen und durch Wärmestrahlung von der äußeren Zylinderwand aus auch für die innere Zylinderwand des Reaktionsraumes eine entsprechend gleichmäßige Wandtemperatur zu erzeugen, ohne daß irgendeine störende Beeinflussung infolge Strahlung von einem benachbarten Reaktionsrohr, einer äußeren Begrenzungswand des Reaktionsofens oder infolge ungleichmäßiger Strahlung oder konvektiver Wärmeübertragung aus dem Heizgasraum eintreten kann. Dadurch wiederum wird es möglich, eine Vielzahl von Reaktionsräumen in einer einzigen Ofeneinheit zusammenzufassen und mithin die Leistungsfähigkeit einer jeden Ofeneinheit um ein Vielfaches zu steigern, und zwar bei gleichzeitiger Verminderung der Bruchgefahr gegenüber dem bisherigen gasbeheizten Reaktionsöfen des in Frage stehenden Typs.By means of the device of the invention it is possible to give the outer cylinder wall of each reaction chamber a defined, in Wall temperature completely uniform in circumferential direction and uniformly changing wall temperature in longitudinal direction and through thermal radiation from the outer cylinder wall also for the inner one To generate a correspondingly uniform wall temperature in the cylinder wall of the reaction chamber, without any disruptive influence as a result of radiation from an adjacent reaction tube, an outer boundary wall of the reaction furnace or as a result of uneven radiation or convective heat transfer from the heating gas room can occur. This in turn will make it possible to combine a large number of reaction spaces in a single furnace unit and therefore the efficiency of each furnace unit by one To increase many times, while at the same time reducing the risk of breakage compared to the previous one gas-fired reaction furnaces of the type in question.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Anordnung so getroffen, daß die äußere Begrenzung des ringförmigen Heizraumes als Formstein aus hochtemperaturbeständigem Material ausgebildet ist. Zweckmäßig ist es dabei, in einem Formstein mehrere einander parallele Heiz- und Reaktionsräume vorzusehen und/oder mehrere Formsteine in paralleler Anordnung der Heiz- und Reaktionsräume zu einem Reaktorblock zusammenzusetzen. In a preferred embodiment of the invention, the arrangement is made so that the outer Boundary of the ring-shaped heating chamber designed as a molded stone made of high-temperature-resistant material is. It is useful to have several parallel heating and reaction rooms in a molded block provide and / or assemble several shaped blocks in parallel arrangement of the heating and reaction rooms to form a reactor block.

Zum Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird das Heizgas im Gleichstrom mit dem Reaktionsgas geführt, wobei vorzugsweise der Druck des Reak- tionsgases gleich oder etwas höher ist als der Druck des Heizgases und Heizgas und Reaktionsgas über die Länge der ringförmigen Räume hinweg auf gleichen Druckverlust eingeregelt sind.
Weitere Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend in Ausführungsbeispielen an Hand der Zeichnung näher erläutert. Dabei stellt darTo operate the device according to the invention, the heating gas is conducted in cocurrent with the reaction gas, the pressure of the reaction gas preferably being equal to or slightly higher than the pressure of the heating gas and heating gas and reaction gas being adjusted to the same pressure loss over the length of the annular spaces.
Further details of the invention are explained in more detail below in exemplary embodiments with reference to the drawing. It represents

F i g. 1 schematisch einen Querschnitt einer ersten Ausführungsform der Erfindung,F i g. 1 schematically shows a cross section of a first embodiment of the invention,

F i g. 2 schematisch einen Querschnitt einer zweiten Ausführungsform der Erfindung,F i g. 2 schematically shows a cross section of a second embodiment of the invention,

Fig. 3 eine Modifikation der Ausführungsform nach F i g. 2,3 shows a modification of the embodiment according to FIG. 2,

Fig. 4a und 4b weitere Modifikationen der Ausführungsform nach F i g. 2.4a and 4b further modifications of the embodiment according to FIG. 2.

Der Grundgedanke der Erfindung läßt sich am besten an Hand der F i g. 1 erläutern. Es sind konzentrisch zueinander ein äußeres zylindrisches Rohr 1, ein mittleres zylindrisches Rohr 2 und ein innerer zylindrischer Einsatzkörper 3 angeordnet. Dabei kann der Einsatzkörper 3 massiv ausgebildet sein, er besteht aus herstellungstechnischen Gründen und auch aus Gewichtsgründen zweckmäßig jedoch aus einem einseitig verschlossenen Rohr, das den gleichen Zweck erfüllt. Der zwischen der Innenwand Ii des äußeren Rohres 1 und der Außenwand 2 a des mittleren Rohres 2 gebildete Ringraum 4 ist für Heizgas bestimmt, während der zwischen der Innenwand 2/ des mittleren Rohres 2 und der Außenwand 2>a des Einsatzkörpers 3 gebildete Ringraum für das Reaktionsgas bestimmt ist. Heizgas und Reaktionsgas strömen dabei im Gleichstrom zueinander.The basic idea of the invention can best be illustrated with reference to FIGS. 1 explain. An outer cylindrical tube 1, a central cylindrical tube 2 and an inner cylindrical insert body 3 are arranged concentrically to one another. The insert body 3 can be made solid, but for manufacturing reasons and also for weight reasons, it is expediently made of a tube which is closed on one side and which fulfills the same purpose. Between the inner wall Ii of the outer tube 1 and the outer wall 2 a of the central tube 2 formed annular space 4 is intended for heating gas, while the between the inner wall 2 / of the central tube 2 and the outer wall 2> annulus A of the insert body 3 formed for the Reaction gas is determined. Heating gas and reaction gas flow in cocurrent to one another.

Durch diese Ausbildungsform wird erreicht, daß die Heizgase durch konvektiven Wärmeübergang, dessen Größe durch die Gasgeschwindigkeit vorgegeben werden kann, Wärme an die Innenfläche Ii des Rohres 1 und an die Außenfläche 2 a des Rohres 2 abgeben. Infolge des gleichmäßigen Querschnitts des Ringraumes 4 sowie der gleichmäßigen Strömungsgeschwindigkeit des Heizgases ist dieser Wärmeübergang in Umfangsrichtung der Rohre vollständig gleichmäßig und in Längsrichtung der Rohre (entsprechend dem Temperaturgradienten des Heizgases in Strömungsrichtung) von gleichmäßiger Änderung. Analog verhält sich auch die von der Innenwand Ii des Rohres 1 auf die Außenfläche 2 a des Rohres 2 stattfindende Wärmeübertragung durch Wandstrahlung, die als »sekundärer Heizeffekt« eine definierte zusätzliche Erhöhung der durch das Heizgas konvektiv an das Rohr 2 abgegebenen Heiz-By this design form is achieved, that the hot gases through convective heat transfer, its size can be predetermined by the gas velocity, give off heat to the inner surface of the pipe 1 and Ii to the outer surface of the tube 2 a second As a result of the uniform cross-section of the annular space 4 and the uniform flow rate of the heating gas, this heat transfer is completely uniform in the circumferential direction of the tubes and changes uniformly in the longitudinal direction of the tubes (corresponding to the temperature gradient of the heating gas in the direction of flow). Analog behaves well as that of the inner wall Ii of the tube 1 to the outer surface 2a of the tube 2 takes place transfer of heat by the radiant wall, which as "secondary heating effect" a defined additional increase in the output by the heating gas by convection to the tube 2 heating

leistung bewirkt. Im Ergebnis herrscht mithin in jedem Flächenelement des Rohres 2 eine genau definierte Wärmeübertragung und damit eine genau definierte Wandtemperatur.
Die vorangehenden, die wärmeabgebende Seite (Rohre 1 und 2) betreffenden Überlegungen gelten entsprechend auch für die durch das Rohr 2 und den zylindrischen Einsatzkörper 3 gebildete wärmeaufnehmende Seite. Die Innenwand 2 z des von außenperformance causes. As a result, there is a precisely defined heat transfer and thus a precisely defined wall temperature in each surface element of the tube 2.
The above considerations relating to the heat-emitting side (tubes 1 and 2) also apply accordingly to the heat-absorbing side formed by the tube 2 and the cylindrical insert body 3. The inner wall 2 z of the outside

erhitzten Rohres 2 gibt durch konvektiven Wärmeübergang Wärme an das im Ringraum 5 strömende Reaktionsgas ab. Zugleich wird von der Fläche 2 i aus durch Wandstrahlung die Außenfläche 3 α des zylindrischen Einsatzkörpers 3 erhitzt, so daß diese Fläche als sekundäre Heizfläche wirkt. Auch im Bereich der wärmeaufnehmenden Seite sind infolge der konzentrischen Anordnung der Flächen 2 z und 3 a sowie infolge der gleichmäßigen Strömungsgeschwindigkeit des Reaktionsgases im Ringraum 5 genau definierte, in Umfangsrichtung gleichmäßige und in Strömungsrichtung sich gleichmäßig ändernde Temperaturverhältnisse gegeben.Heated tube 2 gives off heat to the reaction gas flowing in the annular space 5 by convective heat transfer. At the same time, the outer surface 3 α of the cylindrical insert body 3 is heated from the surface 2 i by wall radiation, so that this surface acts as a secondary heating surface. Also in the area of the heat-absorbing side, due to the concentric arrangement of the surfaces 2 z and 3 a and due to the uniform flow rate of the reaction gas in the annular space 5, there are precisely defined, circumferentially uniform and uniformly changing temperature conditions in the flow direction.

Die beiden Rohre 1 und 2 und auch der zylindrische Einsatzkörper 3 bestehen aus einem hochtemperaturbeständigen Material, üblicherweise einem keramischen Sintermaterial, das gegen unterschiedliche Wandtemperaturen äußerst empfindlich ist. Die weitgehende Gleichmäßigkeit der Wandtemperaturen, die bei der vorangehend beschriebenen Anordnung auftritt, ermöglicht es nun, eine große Anzahl von derartigen Rohren zu einer Ofeneinheit zusammenzubündeln, ohne daß durch benachbarte Rohre und/ oder durch die äußeren Begrenzungswandungen des Ofens irgendwelche Sekundäreinflüsse ausgeübt werden, die die erzielten gleichmäßigen Wandtemperaturen ungünstig beeinflussen. Damit kann die Leistungsfähigkeit einer einzelnen Ofeneinheit bei gleichzeitiger Steigerung der Betriebssicherheit und — wie erwähnt — bei gleichzeitigen größeren spezifischen Heizflächenleistungen wesentlich erhöht werden.The two tubes 1 and 2 and also the cylindrical insert body 3 consist of a high temperature resistant material, usually one ceramic sintered material that is extremely sensitive to different wall temperatures. the extensive uniformity of the wall temperatures, in the case of the arrangement described above occurs, now makes it possible to bundle a large number of such tubes together to form a furnace unit, without being caused by adjacent pipes and / or by the outer boundary walls of the Any secondary influences are exerted in the furnace, which will reduce the uniform wall temperatures achieved adversely affect. This allows the performance of a single furnace unit with simultaneous Increase in operational safety and - as mentioned - at the same time greater specific Heating surface outputs can be increased significantly.

Die verwendete Gleichstromführung von Reaktionsgas und Heizgas vermeidet dabei zu hohe örtliche Maximaltemperaturen (wie sie bei einer Gegenstromführung besonders im Bereich des Heizgaseintritts in den Ringraum 4 auftreten würden) und bewirkt mithin eine Vergleichmäßigung der Temperaturverhältnisse auch in Richtung der Ofenlänge. Damit ergibt sich zugleich die Möglichkeit der Verwendung erhöhter Eintrittstemperaturen für das Heizgas, indem die Verbrennungsluft rekuperativ mittels der aus dem Reaktionsofen abziehenden Verbrennungsgase vorgewärmt wird. Diese Maßnahme führt nicht nur zu einer Erhöhung der spezifischen Wärmeübertragung im Eintrittsbereich des Ofens und entsprechend zu einer Verkürzung der Dauer der Aufheizzeit bzw. der Länge der Aufheizzone des Reaktionsgases, sondern auch zu einer wesentlichen Verbesserung des thermischen Wirkungsgrades der ablaufenden Reaktion.The direct current flow of reaction gas and heating gas used avoids excessive local Maximum temperatures (as they would occur with a countercurrent flow especially in the area of the heating gas inlet into the annular space 4) and consequently brings about an equalization of the temperature conditions also in the direction of the furnace length. This also makes it possible to use increased inlet temperatures for the heating gas, by recuperating the combustion air by means of the combustion gases withdrawn from the reaction furnace is preheated. This measure not only leads to an increase in the specific heat transfer in the entry area of the furnace and correspondingly to a reduction in the duration of the heating time or the length of the heating zone of the reaction gas, but also to a significant improvement the thermal efficiency of the reaction taking place.

Da die zur Verfügung stehenden hochtemperaturbeständigen Materialien insbesondere bei den hohen Betriebstemperaturen oftmals nicht mit ausreichender Sicherheit gasdicht gehalten werden können, wird der Reaktor zweckmäßig so gefahren, daß über die gesamte Rohrlänge hinweg das Reaktionsgas und das im Gleichstrom dazu strömende Heizgas den gleichen Druck und den gleichen Druckverlust besitzen. Dies kann, da der Strömungswiderstand eines Gases mengenabhängig ist, durch geeignete, an sich bekannte und daher im Rahmen der vorliegenden Erfindung nicht mehr gesondert zu beschreibende Mengenregelung erfolgen. Wenn jedoch ein geringer Druckunterschied zwischen dem Reaktionsgas und dem Heizgas in Kauf genommen werden kann, sollte, um Verunreinigungen des Reaktionsproduktes zu vermeiden, das Reaktionsgas einen etwas höheren Druck besitzen als das Heizgas.Since the available high-temperature-resistant materials, especially with the high Operating temperatures often cannot be kept gas-tight with sufficient security the reactor expediently driven so that the reaction gas and the Heating gas flowing concurrently with it have the same pressure and the same pressure loss. this can, since the flow resistance of a gas depends on the amount, by suitable, known and therefore no longer need to be described separately in the context of the present invention Quantity control take place. However, if there is a slight pressure difference between the reaction gas and the heating gas can be accepted, in order to avoid impurities in the reaction product avoid the reaction gas having a slightly higher pressure than the heating gas.

Eine zweckmäßige Ausführungsform der Erfindung läßt F i g. 2 erkennen. Dort ist zum Unterschied zu der Ausführungsform nach Fig. 1 das äußere Rohr 1 ersetzt durch einen beispielsweise quadratischen Formstein 6, der mit einer zylindrischen öffnung 7 versehen ist. Diese öffnung 7 übernimmt dabei die Funktion der vorangehend beschriebenen Innenfläche Ii des Rohres 1. Konzentrisch zu der zylindrischen öffnung 7 sind — ebenso wie bei der Ausführungsform gemäß F i g. 1 — das mittlere Rohr 2 und der zylindrische Einsatzkörper 3 angeordnet, so daß sich wiederum der Ringraum 4 für das Heizgas und der Ringraum 5 für das Reaktionsgas ausbilden.An expedient embodiment of the invention allows FIG. 2 recognize. In contrast to the embodiment according to FIG. 1, there the outer tube 1 is replaced by a, for example, square shaped block 6 which is provided with a cylindrical opening 7. This opening 7 assumes the function of the above-described inner surface Ii of the pipe 1. They are concentric with the cylindrical opening 7 - just as in the embodiment according to FIG. 1 - the middle tube 2 and the cylindrical insert body 3 are arranged so that in turn the annular space 4 for the heating gas and the annular space 5 for the reaction gas are formed.

Der Formstein 6 besteht ebenso wie auch die übrigen Teile der Anordnung aus einem hochtemperaturbeständigen Material. Es kann beispielsweise dadurch hergestellt werden, daß in bekannter Weise hochtemperaturbeständiges, pulverförmiges Material (z. B. Korund, Zirkonoxyd od. dgl.) in eine Form gepreßt und anschließend gesintert wird. Das Rohr 2 und der Einsatzkörper 3 (die beide auf übliche Art hergestellt sein können) bestehen zweckmäßig, aber nicht notwendigerweise, aus dem gleichen hochtemperaturbeständigen Material wie der Formstein 6.The shaped block 6, like the other parts of the arrangement, consists of a high-temperature-resistant one Material. It can be produced, for example, by using high temperature resistant, powdery material (e.g. Corundum, zirconium oxide or the like) is pressed into a mold and then sintered. The pipe 2 and the Insert bodies 3 (both of which can be produced in the usual way) are expediently, but not necessarily, Made of the same high-temperature-resistant material as the shaped stone 6.

Wie F i g. 2 erkennen läßt, können mehrere Formsteine 6 zu einem Reaktorblock zusammengesetzt werden, bei dem die Öffnungen7 und mithin auch die ringförmigen Reaktionsräume 5 parallel zueinander liegen. Weil jeder der Reaktionsräume 5 von einem äußeren Heizraum 4 umgeben ist, kommt es dabei auf eine vollständige Gasdichtigkeit der Fonnsteine 6 nicht unbedingt an. Irgendwelche aus einem der Ringräume 4 nach außen austretende Spuren von Heizgas können höchstens zu dem entsprechenden Heizgasringraum des benachbarten Formsteines gelangen, was weiter keine Störungen verursacht, sofern die Undichtigkeit nicht allzu groß ist. Auch die normalerweise relativ schlechte Wärmeleitfähigkeit der für den vorliegenden Fall verwendbaren hochtemperaturbeständigen Materialien (z. B. Zirkonoxyd) ist, weil der Heizgasringraum den Reaktionsgasringraum außen umgibt, bei dem Aufbau eines Reaktionsofens aus Formsteinen nicht weiter schädlich.Like F i g. 2 shows, several shaped blocks 6 can be assembled to form a reactor block in which the openings 7 and therefore also the annular reaction spaces 5 are parallel to one another lie. Because each of the reaction spaces 5 is surrounded by an outer heating space 4, it occurs it does not necessarily depend on a complete gas tightness of the Fonnsteine 6. Any of one the annular spaces 4 escaping to the outside traces of heating gas can at most to the corresponding The heating gas annulus of the adjacent shaped block get in, which does not cause any further disturbances, provided that the leak is not too great. Also the usually relatively poor thermal conductivity the high-temperature-resistant materials that can be used in the present case (e.g. zirconium oxide) is because the heating gas annulus surrounds the reaction gas annulus outside in the construction of a Reaction furnace made of shaped bricks is no longer harmful.

Die Formsteine brauchen nicht unbedingt quadratische Querschnitte zu besitzen. F i g. 3 läßt eine alternative Ausgestaltung erkennen, bei der die Formsteine 8 einen hexagonalen Querschnitt besitzen und zu einem Rohrbündel mit versetzter Rohranordnung zusammengesetzt werden können.The shaped stones do not necessarily need to have square cross-sections. F i g. 3 leaves one recognize alternative embodiment in which the shaped blocks 8 have a hexagonal cross-section and can be assembled to form a tube bundle with an offset tube arrangement.

Eine weitere Möglichkeit besteht gemäß F i g. 4 a und 4 b in der Verwendung durchgehender Platten 9 bzw. 10 mit unversetzt oder mit versetzt angeordneten Rohröffnungen.Another possibility is shown in FIG. 4 a and 4 b in the use of continuous plates 9 or 10 with unstaggered or staggered pipe openings.

In einem praktischen, besonders zur pyrolytischen Umwandlung von Methan in Acetylen geeigneten Beispiel für die vorangehend erläuterten einzelnen Ausführungsformen der Erfindung kann bei einer nutzbaren Rohrlänge von 1,9 m die Breite des Reaktionsgasringraumes 5 etwa 4 mm und die Breite des Heizgasringraumes 4 etwa 8 mm betragen. Mit einem Außendurchmesser 3 α des als einseitig verschlossenes Rohr von etwa 1,5 mm Wandstärke ausgebildeten Einsatzkörpers 3 von etwa 7 mm und einer Wandstärke des Innenrohres 2 von etwa 2,5 mm liegt dabei der Innendurchmesser für das Außenrohr 1 (bzw. für die öffnung 7 in den Formsteinen) bei etwa 36 mm. Wenn dieser Reaktor mit einer Heizgas-In a practical one, particularly suitable for the pyrolytic conversion of methane into acetylene Example of the individual embodiments of the invention explained above can be used in a usable tube length of 1.9 m, the width of the reaction gas annulus 5 about 4 mm and the width of the Heizgasringraumes 4 be about 8 mm. With an outer diameter 3 α of as closed on one side Tube of about 1.5 mm wall thickness formed insert body 3 of about 7 mm and one The wall thickness of the inner tube 2 of about 2.5 mm is the inner diameter for the outer tube 1 (or for the opening 7 in the shaped stones) at about 36 mm. If this reactor is equipped with a heating gas

eintrittstemperatur von 2200° C und einer Reaktionsgaseintrittstemperatur von 1000° C sowie mit einem gleichen Eintrittsdruck beider Gase von etwas über 1 ata und mit gleichem, geringem Druckverlust beider Gase über die Reaktionslänge gefahren wird, ergibt sich bei einer im Größenordnungsbereich von 100 m/sec liegenden Strömungsgeschwindigkeit des Reaktionsgases für den Reaktionsgasringraum 5 eine Aufheizzone von etwa 0,5 m Länge und eine Reaktionszone von etwa 1,4 m Länge, wobei für das Reaktionsgas in der Reaktionszone die mittlere Verweilzeit etwa 10~² see und die maximale Temperatur etwa 1600 bis 1650° C beträgt und wobei das Reaktionsgas (zum Übertritt in eine nachgeschaltete Abschreckstufe) den Reaktionsringraum mit etwa 1500° C und das Heizgas den Heizgasringraum mit etwa 1750° C verläßt. Diese Verfahrensweise bedeutet, daß je Rohr etwa 6300 kcal/h an fühlbarer Wärme und an Reaktionswärme übertragen werden und daß die auf den mittleren Heizrohrdurchmesser (17,5 mm) bezogene spezifische Heizflächenleistung bei etwa 60 000 kcal/m²h liegt. Darüber hinaus wurde gefunden, daß praktisch beliebig viele Reaktoren nebeneinander in einer Ofeneinheit untergebracht werden können, ohne daß' irgendwelche Störungen auftreten oder — trotz der großen Rohrlänge — überhaupt nur untolerierbare Abweichungen von den Sollmaßen der beiden Ringräume 4 und 5 beobachtet werden konnten.inlet temperature of 2200 ° C and a reaction gas inlet temperature of 1000 ° C as well as with the same inlet pressure of both gases of a little over 1 ata and with the same, low pressure loss of both gases over the reaction length, results in a range in the order of 100 m / sec flow rate of the reaction gas for the reaction gas annulus 5 is a heating zone of about 0.5 m in length and a reaction zone of about 1.4 m length, see for the reaction gas in the reaction zone, the mean residence time of about 10 ~ ^2, and the maximum temperature is about 1600 to 1650 ° C and wherein the reaction gas (to pass into a downstream quenching stage) leaves the reaction annulus at about 1500 ° C and the heating gas leaves the heating gas annulus at about 1750 ° C. This procedure means that about 6300 kcal / h of sensible heat and heat of reaction are transferred per tube and that the specific heating surface output based on the mean heating tube diameter (17.5 mm) is about 60,000 kcal / m ² h. In addition, it was found that practically any number of reactors can be accommodated next to each other in a furnace unit without 'any malfunctions occurring or - despite the large pipe length - only intolerable deviations from the nominal dimensions of the two annular spaces 4 and 5 could be observed.

Claims

Patent claims:

1. Device for carrying out endothermic gas reactions at high temperatures and short residence times, consisting of at least one gas-heated, two concentric Cylinder walls limited reaction space made of high temperature resistant material, thereby characterized in that the outer cylinder wall (2) of the annular reaction space (5) is surrounded concentrically by an annular heating chamber (4), while the inner cylinder wall of the annular reaction space (5) formed by a cylindrical insert body (3) will.

2. Apparatus according to claim 1, characterized in that the outer boundary of the annular heating space (4) designed as a molded block (6, 8) made of high temperature-resistant material is.

3. Device according to claim 2, characterized in that that several heating and reaction rooms are provided in a shaped block (9, 10) are.

4. Apparatus according to claim 2 or 3, characterized in that a plurality of shaped bricks Assembled in a parallel arrangement of the heating and reaction rooms to form a reactor block are.

1 sheet of drawings